JP4634324B2 - 透過電子顕微鏡 - Google Patents

Description

本発明は、透過電子顕微鏡に関し、特に、オートフォーカス機能を有する透過電子顕微鏡に関する。

透過電子顕微鏡では、広範囲で検索を行うとＺ方向にずれが生じ、オートフォーカスを動作させると画像の明るさが変化する。例えば、透過電子顕微鏡によって微小粒子を検索する場合、画像の明るさの変化によって、検索効率が低下する。それによって観察データや分析データの信頼性が低下する。

本発明の目的は、オートフォーカスを動作させても、画像の明るさが変化することがない透過電子顕微鏡を提供することにある。

本発明の透過電子顕微鏡によると、オートフォーカスによって対物レンズの電流値が変化しても、画像の明るさが変化しないように画像の明るさを調整する。

本発明の透過電子顕微鏡によると、オートフォーカスを動作させても、画像の明るさが変化することがない。

図１を参照して本発明による透過電子顕微鏡の例を説明する。本例の透過電子顕微鏡は、電子銃１、第１及び第２の収束レンズコイル２，３、第１及び第２の偏向コイル４，５、対物レンズコイル６、第１及び第２の電磁式試料イメージ移動用コイル７，８、第１及び第２の中間レンズコイル９，１０、第１及び第２の投射レンズコイル１１，１２、励磁電源１３〜２３、デジタルアナログ変換器（DAC）２４〜３４、マイクロプロッセサ３５、記憶装置３６、演算装置３７、ＣＲＴコントローラ３８、ＣＲＴ（モニタ）３９、インターフェース（I/F）４０〜４１、倍率切替用ロータリーエンコーダ４２、入力用ロータリーエンコーダ４３、キーボード４４、マウス４５、ＲＡＭ４６、ＲＯＭ４７、画像取込みインターフェース４８、ＴＶカメラ制御部４９、及び、ＴＶカメラ５０を有する。ＴＶカメラ５０は、光学レンズ５１及びＣＣＤ５２を有する。光軸上には、試料ステージ５３及びシンチレータ５４が設けられている。

粒子を検索するとき、観察者は、キーボード４４及びマウス４５を使用して、視野を移動させ、検索対象の粒子を探す。ＲＯＭ４７に格納された透過電子像用のレンズデータを読み出し、デジタルアナログ変換器（DAC）２４〜３４に供給する。デジタルアナログ変換器（DAC）２４〜３４は、レンズ系のデータをアナログ信号に変換し、励磁電源１３〜２３に供給する。励磁電源１３〜２３は、各レンズ系のレンズコイル２，３，６，９〜１２に電流を出力する。

電子銃１によって生成された電子線は、第１及び第２の収束レンズコイル２，３により収束され、第１及び第２の偏向コイル４，５によって偏向され、対物レンズコイル６によって結像され、試料ステージ５３上の試料に照射される。

試料を透過した電子線は、第１及び第２の電磁式試料イメージ移動用コイル７，８、第１及び第２の中間レンズコイル９，１０、及び、第１及び第２の投射レンズコイル１１，１２を経由して、シンチレータ５４上に投影される。シンチレータ５４は、透明ガラス上に塗布された蛍光体を有する。従って、蛍光体は、試料の透過像を発光する。発光した透過像は、透明ガラスを透過し、光学レンズ５１を介して、ＣＣＤ５２によって受光される。ＣＣＤ５２は、受光した透過像を電気信号に変換し、それをＴＶカメラ制御部４９に送信する。ＴＶカメラ制御部４９は画像データを、画像取込みインターフェース４８を介して、マイクロプロッセサ３５、ＲＡＭ４６、記憶装置３６、及び、演算装置３７に送信する。透過像は、ＲＡＭ４６、及び、記憶装置３６に記憶され、ＣＲＴ（モニタ）３９によって表示される。

本例の透過電子顕微鏡は、オートフォーカス機能、及び、画像の明るさを補正する明るさ調整機能を有する。透過電子顕微鏡のオートフォーカス機構は周知であり、ここでは詳細に説明しない。本例の透過電子顕微鏡は、更に、パターンマッチング機能を有するが、これも周知技術である。明るさ調整機能は、オートフォーカスによって対物レンズの電流値が変化したとき、画像の明るさが変化しないように制御を行う。即ち、オートフォーカスの前後において、画像の明るさが変化しないように制御する。

オートフォーカス機能、パターンマッチング機能、及び、明るさ調整機能は、コンピュータによって読み取り可能なプログラムによって構成されてよく、マイクロプロッセサ３５、ＲＡＭ４６、記憶装置３６、及び、演算装置３７によって実現される。

オートフォーカスによって対物レンズの電流値が変化したとき、先ず、最初の明るさ調整を行う。最初の明るさ調整を行なった画像の明るさをオートフォーカス前の画像の明るさと比較する。両者の一致度が低い場合には、最初の明るさ調整が不十分であり、再度明るさ調整を行う。こうして、明るさ調整を行なった画像の明るさがオートフォーカス前の画像の明るさと一致するまで、明るさ調整を行う。

最初の明るさ調整では、オートフォーカス前の画像の明るさとオートフォーカス後の画像の明るさの比較に基づいて補正量を決める。２回目以降の明るさ調整では、オートフォーカス前の画像の明るさと、明るさ調整後の画像の明るさの比較に基づいて補正量を決める。

画像の明るさを比較するとき、画像の輝度分布を比較してもよく、画像の輝度分布のピーク位置を比較してもよく、又は、画像のコントラストを比較してもよい。更に、ＣＣＤカメラの電流値を比較してもよい。画像の輝度分布を比較する場合、画像相関を用いた画像の移動度又は一致度を計算してもよい。

画像の明るさは、基本的には、試料上の電子線密度によって決まる。従って、画像の明るさを補正するには、収束レンズ電流を変化させればよい。絞りを用いて試料上の電子線密度を調整してもよい。収束レンズ電流を変化させる代わりに、電子銃エミッション電流、CCDカメラのゲイン、露光時間等を調整してもよい。

画像の明るさが変化しない対物レンズ電流と収束レンズ電流の関係を予め求めておいてよい。オートフォーカスによって対物レンズ電流値が変化したとき、このような関係より収束レンズ電流を求めれば、明るさ調整を行うことができる。同様に、画像の明るさが変化しない対物レンズ電流と電子銃エミッション電流の関係を予め求めておいてよい。オートフォーカスによって対物レンズ電流値が変化したとき、このような関係より電子銃エミッション電流を求めることにより、明るさ調整を行うことができる。

本発明による透過電子顕微鏡によって微小粒子を検索するとき、次の効果がある。（１）粒子を検索した画像と信頼性を表示できる。（２）粒子の検索効率を向上させることができる。（３）オートフォーカスにより変動する明るさを補正することができる。（４）変動した明るさを補正してオートフォーカスの精度を向上させる。従って、本発明による透過電子顕微鏡によって微小粒子を検索する場合に、観察データの信頼性を証明することができる。

図２を参照して本発明による透過電子顕微鏡を用いて微小粒子を検索する方法の第１の例を説明する。ステップＳ１０１にて、検索精度及び検索対象の粒子のパターンを設定する。例えば、図５に示す入力画面にて、検索精度、検索対象の粒子の径、検索対象の粒子の楕円率を入力する。検索精度は、予め設定されている値を用いてもよい。ステップＳ１０２にて、検索対象の視野を設定する。図５に示す入力画面の左側にて示すように、試料メッシュの１つを指定する。ステップＳ１０３にて、視野を移動させる。視野の移動方法は、図２３に示すように試料ステージ５３を用いてもよいが、図２４に示すように、偏向コイル４、５を用いて電磁的に視野を移動させてもよい。ステップＳ１０４にて視野の移動を停止する。

ステップＳ１０５にて、画像Ｉ１を取り込み、ＲＡＭ４６に記憶する。画像Ｉ１はオートフォーカス前の画像である。この画像Ｉ１の輝度分布ＬＵＴ１を求め、ＲＡＭ４６に記憶する。輝度分布ＬＵＴ１は、図１３に示すように、横軸に階調をとり、縦軸に画素数をとったときの輝度分布曲線（ヒストグラム）である。

ステップＳ１０６〜ステップＳ１１２にて、オートフォーカスを行う。先ずステップＳ１０６にて、電子線を傾斜角αだけ傾斜させ、画像Ｉ１αを取り込み、ＲＡＭ４６に記憶する。例えば、図１９に示す入力画面にて傾斜角αを入力する。

試料上に正焦点がある場合には、電子線を傾斜させても、画像は移動しない。しかしながら、焦点がずれている場合には、電子線を傾斜させることにより画像は移動する。この現象を利用する。

ステップＳ１０７にて、２つの画像Ｉ１、Ｉ１α間の移動量と一致度を計算する。移動量及び一致度の計算は後に説明する（ａ）及び（ｂ）の方法を用いてよい。このとき、正規化相関で計算を行ってもよい。ステップＳ１０８にて、一致度が５０％より大きいか否かを判定する。ここでは一致度の閾値として５０％を用いた。

一致度が５０％より大きい場合には、ステップＳ１１１に進む。一致度が５０％より大きくない場合には、ステップＳ１０９に進み、電子ビームの傾斜角を半分にする。ステップＳ１１０にて、対物レンズの電流値を変更し、ステップＳ１０７に戻る。

ここで、一致度を大きくするために、電子線の傾斜角を半減したが、それは、図１７及び図１８に示すように、電子線の傾斜角は小さいほうが、補正精度及びその補正範囲は大きいからである。

一致度が５０％より大きくなったらステップＳ１１１にて、電子線の傾斜角が予め設定された値αであるか否かを判定する。電子線の傾斜角がαでない場合には、ステップＳ１０６に戻り、電子線の傾斜角をαにする。

こうして、ステップＳ１０６からステップＳ１１１を繰り返すことにより、電子線の傾斜角がαであり、且つ、一致度が５０％より大きくなる。

ステップＳ１１２にて、傾斜角αを用いてデフォーカス量を計算し、それを対物レンズ電流にフィードバックする。デフォーカス量の計算は後に（ｆ）にて説明する式を用いて行う。

こうして、オートフォーカスが終わると、ステップＳ１１３にて、画像Ｉ２を取り込み、ＲＡＭ４６に記憶する。画像Ｉ２はオートフォーカス後の画像である。この画像Ｉ２の輝度分布ＬＵＴ２を求め、ＲＡＭ４６に記憶する。ステップＳ１１４にて、オートフォーカス前後の画像の明るさを比較する。即ち、オートフォーカス前の画像Ｉ１の輝度分布ＬＵＴ１とオートフォーカス後の画像Ｉ２の輝度分布ＬＵＴ２の相関を計算する。

輝度分布の相関の計算方法については後に（ｄ）にて説明する。即ち、後に（ａ）、（ｂ）にて説明するように、画像相関を用いた一致度を計算してもよい。

ステップＳ１１５にて、相関計算の結果を用いて明るさ調整を行う。明るさ調整は、収束レンズコイルの電流値を制御することによって行う。明るさ調整の方法として、エミッション電流の制御、CCDカメラのゲインの調整、露光時間の調整等がある。明るさ調整の方法は、図２０及び図２１に示す画面にて入力してよい。ステップＳ１１６にて、画像Ｉ３を取り込み、ＲＡＭ４６に記憶する。画像Ｉ３は明るさ調整後の画像である。この画像Ｉ３の輝度分布ＬＵＴ３を求め、ＲＡＭ４６に記憶する。

ステップＳ１１７にて、オートフォーカス前の画像と明るさ調整後の画像の明るさを比較する。即ち、画像Ｉ１の輝度分布ＬＵＴ１と画像Ｉ３の輝度分布ＬＵＴ３の一致度を求め、それが５０％より大きいか否かを判定する。ここでは一致度の閾値として５０％を用いた。一致度の閾値として、ステップＳ１０１の検索精度の入力値を用いてもよいが、別に入力してもよい。

輝度分布の一致度の計算方法については後に（ｄ）にて説明する。即ち、後に（ａ）、（ｂ）にて説明するように、画像相関を用いた一致度を計算してもよい。

一致度が５０％より大きい場合には、ステップＳ１１８に進む。一致度が５０％より大きくない場合にはステップＳ１１５に戻り、再度明るさ調整を行う。こうして一致度が５０％より大きくなったらステップＳ１１８に進む。図２０及び図２１に示す画面では、一致度が表示される。

ステップＳ１１８にて、パターンマッチングを行い、粒子を検索する。ステップＳ１１９にて、パターンマッチングを行った画像Ｉ３とその輝度分布ＬＵＴ３をＲＡＭ４６に記憶する。また、画像Ｉ１の輝度分布ＬＵＴ１と画像Ｉ３の輝度分布ＬＵＴ３の相関値をＲＡＭ４６に記憶する。図６に示すように検索した粒子数と検索精度（一致度）を表示することができる。

ステップＳ１２０にて、視野を移動させる。ステップＳ１２１にて、全ての視野について粒子検索が終了したか否かを判定する。全ての視野について粒子検索が完了していない場合にはステップＳ１０３に戻る。全ての視野について粒子検索が完了したらこの処理を終了する。

本例では、ステップＳ１０５にて、オートフォーカス前の画像Ｉ１の輝度分布ＬＵＴ１を保存し、ステップＳ１１４にて、オートフォーカス前の画像Ｉ１の輝度分布ＬＵＴ１とオートフォーカス後の画像Ｉ２の輝度分布ＬＵＴ２の相関を計算する。また、ステップＳ１１７にて、オートフォーカス前の画像Ｉ１の輝度分布ＬＵＴ１と明るさ調整後の画像Ｉ３の輝度分布ＬＵＴ３の一致度を求める。しかしながら、これらのステップにおいて、画像の輝度分布の代わりに、輝度分布のピーク位置、又は、画像のコントラストを用いてもよい。

輝度分布のピーク位置を用いる場合を説明する。輝度分布のピーク位置は、図１３に示すように、画像の輝度分布（ヒストグラム）から求めることができる。ステップＳ１１４にて、オートフォーカス前の画像Ｉ１の輝度分布のピーク位置ｐＬＵＴ１とオートフォーカス後の画像Ｉ２の輝度分布のピーク位置ｐＬＵＴ２の相関を計算する。輝度分布のピーク位置の相関の計算方法については後に（ｅ）にて説明する。即ち、２つのピーク位置の比、差等を用いる。

ステップＳ１１７にて、画像Ｉ１の輝度分布のピーク位置ｐＬＵＴ１と画像Ｉ３の輝度分布のピーク位置ｐＬＵＴ３の一致度を求め、それが５０％より大きいか否かを判定する。輝度分布のピーク位置の一致度の計算方法については後に（ｅ）にて説明する。即ち、２つのピーク位置の比を用いる。

画像のコントラストを用いる場合を説明する。コンストラストは、図８に示すようにバックグランド強度I0に対する検索対象の粒子像の強度I1の比として表わされる。ステップＳ１１４にて、オートフォーカス前の画像Ｉ１のコントラストＣ１とオートフォーカス後の画像Ｉ２のコントラストＣ２の相関を計算する。コントラストの相関の計算方法については後に（ｈ）にて説明する。即ち、２つのこのトラストの比、差等を用いる。

ステップＳ１１７にて、画像Ｉ１のコントラストＣ１と画像Ｉ３のコントラストＣ３の一致度を求め、それが５０％より大きいか否かを判定する。コントラストの一致度の計算方法については後に（ｈ）にて説明する。即ち、２つのコントラストの比を用いる。

図３を参照して本発明による透過電子顕微鏡を用いて微小粒子を検索する方法の第２の例を説明する。図２の第１の例では、画像の輝度分布を用いたが、本例では、ＣＣＤカメラの電流値を用いる。尚、ＣＣＤカメラの電流値の測定方法は、図２２に示す。図２２については後に説明する。

ステップＳ２０１からステップＳ２０４は、図２のステップＳ１０１からステップＳ１０４と同様である。ステップＳ２０５にて、画像Ｉ１を取り込み、ＲＡＭ４６に記憶する。画像Ｉ１はオートフォーカス前の画像である。ＣＣＤカメラの電流値Ａ１を測定し、それを、ＲＡＭ４６に記憶する。

ステップＳ２０６からステップＳ２１２までのオートフォーカスの処理は、図１のステップＳ１０６からステップＳ１１２までの処理と同様である。オートフォーカスが終わると、ステップＳ２１３にて、画像Ｉ２を取り込み、ＲＡＭ４６に記憶する。画像Ｉ２はオートフォーカス後の画像である。更に、ＣＣＤカメラの電流値Ａ２を測定し、ＲＡＭ４６に記憶する。ステップＳ２１４にて、オートフォーカス前後の画像の明るさを比較する。即ち、オートフォーカス前の電流値Ａ１とオートフォーカス後の電流値Ａ２の相関を計算する。電流値の相関の計算方法の例は、後に（ｇ）にて説明するように、２つの電流値の比又は差を計算する。ステップＳ２１５にて、相関計算の結果を用いて明るさ調整を行う。

ステップＳ２１６にて、画像Ｉ３を取り込み、ＲＡＭ４６に記憶する。画像Ｉ３は明るさ調整後の画像である。ＣＣＤカメラの電流値Ａ３を測定し、ＲＡＭ４６に記憶する。ステップＳ２１７にて、オートフォーカス前の画像と明るさ調整後の画像の明るさを比較する。即ち、電流値Ａ１と電流値Ａ３の一致度を求め、それが５０％より大きいか否かを判定する。

２つの電流値の一致度の計算方法の例として、後に（ｇ）にて説明するように、２つの電流値の比又は差を計算する。

一致度が５０％より大きい場合には、ステップＳ２１８に進む。一致度が５０％より大きくない場合にはステップＳ２１５に戻り、再度明るさ調整を行う。こうして一致度が５０％より大きくなったらステップＳ２１８に進む。

ステップＳ２１８にて、パターンマッチングを行い、粒子を検索する。ステップＳ２１９にて、パターンマッチングを行った画像Ｉ３と電流値Ａ３をＲＡＭ４６に記憶する。また、画像Ｉ１の電流値Ａ１と画像Ｉ３の電流値Ａ３の相関値をＲＡＭ４６に記憶する。図６に示すように検索した粒子数と検索精度を表示することができる。

ステップＳ２２０及びステップＳ２２１の処理は、図２のステップＳ１２０及びステップＳ１２１の処理と同様である。

図４を参照して本発明による透過電子顕微鏡を用いて微小粒子を検索する方法の第３の例を説明する。ステップＳ３０１からステップＳ３１２は、図１のステップＳ１０１からステップＳ１１２と同様である。即ち、オートフォーカスが終わるまで、図１の例と同様である。

オートフォーカスによって対物レンズ電流値は新たな値に設定される。ステップＳ３１３にて、収束レンズコイルの電流値を、対物レンズ電流に対応した値に設定する。図１５は、画像の明るさが変化しないための対物レンズの電流値と収束レンズの電流値の条件を示す。図１５の曲線から、オートフォーカスによって得られた対物レンズ電流値に対応する収束レンズの電流値を読み取り、それを設定値とする。こうして本例では、収束レンズコイルの電流値を所定の値に設定することにより明るさ調整を行う。

ステップＳ３１４にて、画像Ｉ２を取り込み、ＲＡＭ４６に記憶する。画像Ｉ２は明るさ調整後の画像である。この画像Ｉ２の輝度分布ＬＵＴ２を求め、ＲＡＭ４６に記憶する。ステップＳ３１５にて、オートフォーカス前の画像と明るさ調整後の画像の明るさを比較する。即ち、オートフォーカス前の画像Ｉ１の輝度分布ＬＵＴ１と明るさ調整後の画像Ｉ２の輝度分布ＬＵＴ２の相関を計算する。

輝度分布の相関の計算方法については後に（ｄ）にて説明する。即ち、後に（ａ）、（ｂ）にて説明するように、画像相関を用いた一致度を計算してもよい。

ステップＳ３１６にて、画像Ｉ１の輝度分布ＬＵＴ１と画像Ｉ２の輝度分布ＬＵＴ２の一致度を求め、それが５０％より大きいか否かを判定する。

輝度分布の一致度の計算方法については後に（ｄ）にて説明する。即ち、後に（ａ）、（ｂ）にて説明するように、画像相関を用いた一致度を計算してもよい。

一致度が５０％より大きい場合には、ステップＳ３１７に進む。一致度が５０％より大きくない場合には処理を終了する。本例では、明るさ調整として、収束レンズコイルの電流値を所定の値に設定した。従って、再度明るさ調整を行わない。

ステップＳ３１７にて、パターンマッチングを行い、粒子を検索する。ステップＳ３１８にて、パターンマッチングを行った画像Ｉ２とその輝度分布ＬＵＴ２をＲＡＭ４６に記憶する。また、画像Ｉ１の輝度分布ＬＵＴ１と画像Ｉ２の輝度分布ＬＵＴ２の相関値をＲＡＭ４６に記憶する。図６に示すように検索した粒子数と検索精度を表示することができる。

ステップＳ３１９及びステップＳ３２０の処理は、図２のステップＳ１２０及びステップＳ１２１の処理と同様である。

本例では、ステップＳ３０５にて、オートフォーカス前の画像Ｉ１の輝度分布ＬＵＴ１を保存し、ステップＳ３１４にて、明るさ調整後の画像Ｉ２の輝度分布ＬＵＴ２を保存し、ステップＳ３１５にて、オートフォーカス前の画像Ｉ１の輝度分布ＬＵＴ１と明るさ調整後の画像Ｉ２の輝度分布ＬＵＴ２の相関を計算する。しかしながら、これらのステップにおいて、画像の輝度分布の代わりに、輝度分布のピーク位置、又は、コントラストを用いてもよい。

さらにこれらのステップにおいて、画像の輝度分布の代わりに、ＣＣＤカメラの電流値を用いてもよい。

図５は粒子検索の入力画面の例を示す。入力画面の左側には、試料メッシュが表示される。入力画面の右下には、検索精度、検索対象の粒子の径、検索対象の粒子の楕円率を設定するフィールドが表示される。ユーザは、先ず、検索精度、粒子径及び楕円率を入力する。検索精度は、予め設定されていてもよい。次に、試料メッシュにて粒子検索を行う場所を設定する。

図６は検索精度と検出結果を示す画面の例を示す。図６の例では、オートフォーカス前の画像Ｉ１の輝度分布ＬＵＴ１と明るさ調整後の画像Ｉ２の輝度分布ＬＵＴ２の相関（一致度）を８０％に設定したとき、検索対象の粒子が１個検出されたことを示す。画面の右側には、粒子を検出したときの画像が表示される。図７は、コンストラスト、検出された粒子数、及び、検索精度の例を示す。コンストラストが高いほど検索精度は高くなる。図８に示すようにコンストラストは、バックグランド強度I0に対する検索対象の粒子像の強度I1の比として表わされる。

図９は、デフォーカス量とＣＣＤカメラの電流比の関係を示す。横軸はデフォーカス量、縦軸はデフォーカス量がゼロのときの電流値Ｉ0に対するデフォーカス後の電流値Ｉ1の比である。図示のように、デフォーカス量が負から正に増加するとき、ＣＣＤカメラの電流値は増加することが判る。従って、ＣＣＤカメラの電流値を検出することによって、デフォーカス量を知ることができる。

図１０を参照して、対物レンズ電流値を変化させることにより画像の明るさが変化することを説明する。対物レンズ電流値を変化させると、対物前磁場と対物後磁場が変化する。図１０には、対物前磁場のみを示す。対物レンズ電流値を変化させると、対物前磁場が変化し、破線にて示すように、電子線の照射領域が変化し、試料上の電子線密度が変化する。それによって、画像の明るさが変化する。尚、対物後磁場が変化することにより、焦点位置が変化する。

図１１は、従来の技術のように、オートフォーカス後に明るさを補正しない場合の画像の例を示す。左上の画像は、正焦点の画像、その右の画像は、負の側にずれている画像をオートフォーカスによって結像させて画像、下側の画像は、正の側にずれている画像をオートフォーカスによって結像させて画像を示す。図１２は、本発明により、オートフォーカス後に明るさを補正した場合の画像の例を示す。左上の画像は、正焦点の画像、その右の画像は、負の側にずれている画像をオートフォーカスによって結像させて画像、下側の画像は、正の側にずれている画像をオートフォーカスによって結像させて画像を示す。図１２の画像では、オートフォーカスの前後において明るさが変化しない。従って、本発明によると、オートフォーカスを行っても、正確に粒子を検出することができる。

図１３は、画像の輝度分布（ヒストグラム）及びピーク位置の例を示す。縦軸は画素数、横軸は階調である。輝度分布曲線の頂点がピーク位置であり、輝度分布の中心である。図１３（ａ）はオートフォーカス前の輝度分布を示し、図１３（ｂ）はオートフォーカス後の輝度分布を示す。両者を比較すると判るように、本例では、オートフォーカス後に、画像の明るさが増加している。

図１５は、画像の明るさが変化しないための対物レンズの電流値と収束レンズの電流値の条件を示す。横軸は対物レンズの電流値、縦軸は収束レンズの電流値である。対物レンズの電流値が変化しても、収束レンズの電流値を図１５の曲線より求めた値に設定することにより、画像の明るさの変化を回避することができる。

図１６は、対物レンズの電流値と試料表面上の電流値の関係を示す。横軸は対物レンズの電流値、縦軸は試料表面上の電流値である。試料表面上の電流値は、ＣＣＤカメラの電流値である。対物レンズの電流値が負から正に増加すると、試料表面上の電流値は減少する。試料表面上の電流値を検出することによって、対物レンズの電流値を知ることができる。

図１７は、倍率と補正精度の関係を示す。横軸は倍率、縦軸は補正精度（デフォーカス量）である。倍率が大きくなると、補正精度は急激に小さくなる。電子線の傾斜角α（０．５〜０．１度）を変化させて、倍率と補正精度の関係を調べた。電子線の傾斜角αが大きいほど、補正精度は小さくなる。

図１８は、倍率と補正範囲の関係を示す。横軸は倍率、縦軸は補正幅（デフォーカス量）である。倍率が大きくなると、補正幅は急激に小さくなる。電子線の傾斜角α（０．５〜０．１度）を変化させて、倍率と補正幅の関係を調べた。電子線の傾斜角αが大きいほど、補正幅は小さくなる。

図１９は、オートフォーカスの設定画面の例を示す。この画面は、電子線の傾斜角αを入力するためのフィールドを有する。

図２０は、明るさの補正を露光時間の制御によって行う場合の設定画面の例を示す。この画面は、露光時間の制御方法として、収束レンズ、電子銃エミッション電流、収束レンズによって修正された既定値のいずれかを選択するフィールドと、得られた検索精度（一致度）を表示するフィールドを有する。

図２１は、明るさの補正をＣＣＤカメラの電流値の制御によって行う場合の設定画面の例を示す。この画面は、ＣＣＤカメラの電流値の制御方法として、収束レンズ、電子銃エミッション電流、ＣＣＤカメラのゲイン、ＣＣＤカメラの露光時間のいずれかを選択するフィールドと、得られた検索精度（一致度）を表示するフィールドを有する。この画面は、更に、輝度分布を表示するフィールドを有する。

図２２を参照して、ＣＣＤカメラの電流値の測定方法の例を説明する。本例では、ＣＣＤカメラに対して、電流検出器を備えたシンチレータ５４が設けられている。

図２３及び図２４は、視野の移動方法の例を示す。図２３の例では、Ｘ方向の駆動装置５３ａ、Ｙ方向の駆動装置５３ｂ、及び、Ｚ方向の駆動装置５３ｃを備えた試料ステージ５３を用いて視野を移動させる。図２４の例では、偏向コイル４、５を用いて視野を移動させる。

以下に、移動量の計算方法、一致度の計算方法、コントラストの計算方法、オートフォーカスにおけるデフォーカス量の計算方法、各種の検索精度の計算方法の例を説明する。

（ａ） 移動量の計算方法
図１４に示す画像相関の例を用いて、画像の移動量の計算方法を説明する。透過像１の一部を切り取った画像を透過像３とする。これをM×Nの画素数で記憶装置に、登録画像f1(ｍ、ｎ)として記録する。次に記録モード後に取込んだ画像を透過像２とする。これをM×Nの画素数で記憶装置に、参照画像f2(ｍ、ｎ)として記録する。但し、どちらも自然画像とし、ｍ＝0,1,2,・・・M-1、 ｎ＝0,1,2,・・・N-1である。

f1(m,n) 、f2(m,n)の離散フーリエ画像F1(m,n) 、F2(m,n)はそれぞれ式(1)、(2)で定義される。
F1(u,v)＝A(u,v)ejθ(u,v) (1)
F2(u,v)＝B(u,v)ejφ(u,v) (2)
但し、u＝0,1,2,・・・M-1、 v＝0,1,2,・・・N-1である。A(u,v)、B(u,v)は振幅スペクトル、θ(u,v)、φ(u,v)は位相スペクトルである。

位相相関では、２画像間で像の平行移動があった場合には相関のピークの位置が移動量だけずれる。以下に移動量の導出方法を説明する。

まず、原画像f2(m,n)が、ｘ方向にr’だけ移動したとしてf4(m,n)＝f2(m+r’,n)とする。式(2)を式(3)のように変形する。
F4(u,v)＝ΣΣ f2(m+r’,n)e -j2π(mu/M＋nv/N)
＝B(u,v)ej(φ＋２πr’u/M) (3)

振幅スペクトルB(u,v)を定数とすることにより、画像のコントラストに依存しない位相画像となる。画像f4の位相画像F’4 (u,v)は式(4)となる。
F4’(u,v)＝ej(φ＋２πr’u/M) (4)

位相画像F’1(u,v)にF’2(u,v)の複素供役を乗ずることによって合成画像H14(u,v)は式（5）となる。
H14(u,v)＝F’1(u,v)(F’2(u,v))*＝ ej(θ-φ-２πru/M ) (5)

相関強度画像G14(r,s)は、合成画像H14(u,v)を逆フーリエ変換することによって式(6)となる。
G14(r,s)＝ΣΣ(H14(u,v)) ej2π(ur/M+us/N)
＝ΣΣ(ej(θ-φ-２πr’u/M )) ej2π(ur/M+us/N)＝G12(r-r’) (6)

式(6)より、２つの画像間でX方向に位置ずれ量r’が存在する場合、相関強度画像のピークの位置は-r’だけずれる。また、位相成分で相関計算するため、２つの画像で明るさやコントラストに違いがあっても移動量の計算が行える。２つの画像間でX方向に位置ずれ量が存在する場合は、相関強度画像の中心よりΔG(pixel)の位置にピークが発生する。例えば２つの画像間でX方向に2pixelのずれがあると、合成画像は２周期の波になる。これを逆フーリエ変換すると相関強度画像となり、中心から2pixelずれた位置にピークが発生する。

このΔG(pixel)は検出器の受光面での移動量相当する。そこで、ΔGを試料面上の移動量Δｘに変換する。検出器の受光面の径L、受光面上での透過電子顕微鏡の倍率M、検出器の受光面の画素数Lmとすると式(7)に示す。
Δx＝ΔG(pixel)×L／Lm(pixel)／M (7)
Δxは２つ画像間の試料面上での移動量となる。

（ｂ） 一致度の計算方法
画像相関を用いて一致度を計算する方法を説明する。位相成分のみを用いた相関計算では、数学上位相のみを使用しているため相関強度に現れるピークはδピークとなる。

例えば２つの画像間で1.5画素ずれると合成画像は1.5周期の波となる。これを逆フーリエ変換すると、相関強度画像の中心より1.5pixelずれた位置にδピークが立つが、1.5の画素は存在しないので、δピークの値は1pixel目と2pixel目に振り分けられる。

ここで一致度が高い画素の重心を取って、この振り分けられた値から真のδピーク位置を計算すると1/10pixel程度の精度を計算結果が得られる。また、相関強度画像がδピークのため、２つの画像間における類似性の評価を相関強度画像のピークの高さによって行う。画像f1(ｍ、ｎ)、ピークの高さPeak(pixel)とすると一致度(%)を式(8)に示す。
一致度(%)＝（Peak）／（ｍ×ｎ）×100 (8)
例えば処理画素数は128pixel×128pixelでPeakが16384(pixel)の場合は、一致度＝（16384）／（128×128）×100＝100 (％)となる。

（ｃ） コントラストＣの計算方法
図８に示すようにラインプロファイルよりバックグランド強度I0と試料の高さを示す強度I1を用いて、式（９）にコントラストＣを計算する。

コントラストＣ＝（ I0 ）／（I1 ）×100 (９)

（ｄ） 相関計算を用いて検索精度を計算する方法
図１３に示すように輝度分布を画像と考え、（ａ）又は（ｂ）の画像相関を用いた移動量又は一致度を検索精度とする。

（ｅ） 輝度分布のピーク位置と検索精度（一致度）を計算する方法
図１３に示すように輝度分布のピークの位置を式（１０）によって求める。検索精度を式（１１）によって求める。
ピーク位置＝ピーク位置１−ピーク位置２ (１０)
検索精度＝（ピーク位置１）／（ピーク位置２）×100 (１１)

（ｆ） 焦点を自動補正する方法（オートフォーカス）
式（７）で算出した試料上の移動量ΔＸを式（１２）に入れて、デフォーカス量Δｆを計算する。
Δｆ＝ΔＸ／（α×Ｍ）―ＣＳ×α２ (１２)
ΔＸは電子ビームの傾斜によって生じた移動量、Ｍは透過電子顕微鏡の倍率、ＣＳは対物レンズの球面収差係数、αは電子ビームの傾斜角である。

（ｇ） 電流値より電流値の位置と検索精度（一致度）を計算する方法
電流値の位置を式(１３)によって求め、検索精度を式(１４)によって求める。
電流値の位置＝電流値１−電流値２ (１３)
検索精度＝（電流値１）／（電流値２）×100 (１４)

（ｈ） コントラストより位置と検索精度（一致度）を計算する方法
コントラストの位置を式（１５）によって求め、検索精度を式（１６）によって求める。
コントラストの位置＝コントラスト１−コントラスト２ (１５)
検索精度＝（コントラスト１）／（コントラスト２）×100 (１６)

以上、本発明の例を説明したが本発明は上述の例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲にて様々な変更が可能であることは当業者に容易に理解されよう。

本発明の透過電子顕微鏡の構成を示す図である。 本発明の透過電子顕微鏡によって微小粒子を検索する方法の第１の例を示す図である。 本発明の透過電子顕微鏡によって微小粒子を検索する方法の第２の例を示す図である。 本発明の透過電子顕微鏡によって微小粒子を検索する方法の第３の例を示す図である。 本発明の透過電子顕微鏡において自動検索を行うときの入力画面の例を示す。 本発明の透過電子顕微鏡において検索結果である粒子検出数と検索精度を表示した画面の例を示す。 本発明の透過電子顕微鏡においてコントラスト、粒子検出数及び検索精度の関係を示す図である。 本発明の透過電子顕微鏡においてコントラストの計算方法を示す図である。 本発明の透過電子顕微鏡においてデフォーカス量とＣＣＤカメラの電流比の関係を示す図である。 本発明の透過電子顕微鏡において対物前磁場と照射領域の関係を示す図である。 本発明の透過電子顕微鏡においてオートフォーカス後に明るさの補正しない画像を示す図である。 本発明の透過電子顕微鏡においてオートフォーカス後に明るさの補正した画像を示す図である。 本発明の透過電子顕微鏡において画像から求めた輝度分布の例を示す図である。 本発明の透過電子顕微鏡において画像相関の例を説明するための図である。 本発明の透過電子顕微鏡において明るさが変化しない対物レンズ電流値と収束レンズコイル電流値の関係を示す図である。 本発明の透過電子顕微鏡において対物レンズ電流値とＣＣＤカメラの電流値の関係を示す図である。 本発明の透過電子顕微鏡においてオートフォーカスの補正精度を示す図である。 本発明の透過電子顕微鏡においてオートフォーカスの補正範囲を示す図である。 本発明の透過電子顕微鏡においてオートフォーカスの設定を行う入力画面の例を示す図である。 本発明の透過電子顕微鏡において露光時間の設定を行う入力画面の例を示す図である。 本発明の透過電子顕微鏡においてＣＣＤカメラの設定を行う入力画面の例を示す図である。 本発明の透過電子顕微鏡においてＣＣＤカメラの電流値の測定方法の例を示す図である。 本発明の透過電子顕微鏡において視野を移動させるための試料ステージの例を示す図である。 本発明の透過電子顕微鏡において視野を移動させるための電子線偏向系の例を示す図である。

符号の説明

１：電子銃、２：第１収束レンズコイル、３：第２収束レンズコイル、４：第１偏向コイル、５：第2偏向コイル、６：対物レンズコイル、７：第１電磁式試料イメージ移動用コイル、８：第２電磁式試料イメージ移動用コイル、９：第１中間レンズコイル、１０：第２中間レンズコイル、１１：第１投射レンズコイル、１２：第２投射レンズコイル、１３〜２３：励磁電源、２４〜３４：DAC、３５：マイクロプロッセサ、３６：記憶装置、３７：演算装置、３８：ＣＲＴコントローラ、３９：ＣＲＴ、４０〜４１：I/F、４２：倍率切替用ロータリーエンコーダ、４３：入力用ロータリーエンコーダ、４４：キーボード、４５：マウス、４６：RAM、４７：ROM、４８：画像取込みインターフェース、４９： ＴＶ制御部 、５０：TV、５１：光学レンズ、５２：ＣＣＤ、５３：試料ステージ、５４：シンチレータ

Claims (6)

1. 電子銃からの電子線を試料に照射する収束レンズと、試料上に電子線を収束させるための対物レンズと、透過像の画像データを取得する画像データ取得装置と、オートフォーカスを行うオートフォーカス機構と、オートフォーカスによって上記対物レンズの電流値が変化したとき上記試料の画像の明るさが変化しないように画像の明るさを調整する明るさ調整機構と、を有し、
   上記明るさ調整機構は、上記オートフォーカス前の上記画像の輝度分布と、上記オートフォーカス後の上記画像の輝度分布との相関を計算し、該相関計算の結果を用いて、上記収束レンズの電流値を制御して上記オートフォーカス後の上記画像の明るさ調節を行い、
   上記オートフォーカス前の上記画像の輝度分布と、上記明るさ調節後の上記画像の輝度分布の一致度を求め、該一致度が予め設定された値より大きくない場合は、再度上記明るさ調整を行って上記一致度を求め、該一致度が上記予め設定された値より大きくなるまで上記明るさ調整を行うことを特徴とする透過電子顕微鏡。
2. 請求項１記載の透過電子顕微鏡において、上記明るさ調整を行った後の画像を表示するモニタを有することを特徴とする透過電子顕微鏡。
3. 請求項１記載の透過電子顕微鏡において、上記モニタは、オートフォーカス前の画像と上記明るさ調整を行った後の画像の間の一致度と、画像の輝度分布を表示することを特徴とする透過電子顕微鏡。
4. 透過電子顕微鏡のオートフォーカス機構を用いてオートフォーカスを行うことと、
   上記オートフォーカスによって対物レンズの電流値が変化したとき、
   上記オートフォーカス前の画像の輝度分布と、上記オートフォーカス後の画像の輝度分布との相関を計算し、該相関計算の結果を用いて、収束レンズの電流値を制御して上記オートフォーカス後の上記画像の明るさ調節を行い、
   上記オートフォーカス前の上記画像の輝度分布と、上記明るさ調節後の上記画像の輝度分布の一致度を求め、該一致度が予め設定された値より大きくない場合は、再度上記明るさ調整を行って上記一致度を求め、該一致度が上記予め設定された値より大きくなるまで上記明るさ調整を行うことを特徴とする透過電子顕微鏡像の明るさ調整方法。
5. 電子銃からの電子線を試料に照射する収束レンズと、試料上に電子線を収束させるための対物レンズと、透過像の画像データを取得するＣＣＤカメラと、該ＣＣＤカメラによって得られた透過像を表示するモニタと、パターンマッチングを行うパターンマッチング機構と、オートフォーカスを行うオートフォーカス機構と、オートフォーカスによって上記対物レンズの電流値が変化したとき試料の画像の明るさが変化しないように画像の明るさを調整する明るさ調整機構と、を有し、
   上記明るさ調整機構は、上記オートフォーカス前の上記画像の輝度分布と、上記オートフォーカス後の上記画像の輝度分布との相関を計算し、該相関計算の結果を用いて、上記収束レンズの電流値を制御して上記オートフォーカス後の上記画像の明るさ調節を行い、
   上記オートフォーカス前の上記画像の輝度分布と、上記明るさ調節後の上記画像の輝度分布の一致度を求め、該一致度が予め設定された値より大きくない場合は、再度上記明るさ調整を行って上記一致度を求め、該一致度が上記予め設定された値より大きくなるまで上記明るさ調整を行うことを特徴とするパターン検索装置。
6. 請求項５記載のパターン検索装置において、上記モニタは、検索対象のパターンの形状を入力するフィールドと検索対象の視野を設定するフィールドを有する画面を表示することを特徴とするパターン検索装置。

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